多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置的研制與測試

唐耕 ，陳子晗 ，李玉榕 1 福州大學 電氣工程與自動化學院，福州市， 350108 福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術重點實驗室，福州市， 350108

0 引言

各種肌肉骨骼系統(tǒng)病損以及周圍神經(jīng)病損常導致患者的肌力減弱、肌肉功能障礙等，影響肢體運動功能。肌力訓練就是運用各種訓練模式逐步增強肌肉力量和肌肉耐力，改善肢體運動功能，同時肌力訓練具有預防各種骨關節(jié)疾病及術后患者的肌肉萎縮，促進肌肉功能恢復的作用。臨床肌力訓練比較多的用于運動系統(tǒng)傷病治療、康復治療的早期和中期，使受損肌肉更早恢復。在膝關節(jié)手術后加大患側股四頭肌肌力訓練，可以糾正膝關節(jié)周圍股四頭肌和腘繩肌兩組肌肉肌力的不平衡，并將肌力不平衡的程度降到最低，利于膝關節(jié)功能的恢復[1]。腰背軀干肌的肌力大小同慢性下腰痛有直接關系，通過標準的軀干腰背肌的肌力訓練，可以提高軀干肌腰背肌的肌力，緩解下腰痛的癥狀[2]。

肘關節(jié)作為參與人體上肢運動的重要關節(jié)，其運動功能的保障與人們?nèi)粘Ｉ罨顒幽芰γ芮邢嚓P[3]。通過醫(yī)學理論的研究和臨床醫(yī)學的實踐證明，肘關節(jié)受損患者除了早期的手術和必要的藥物治療外，正確合理的康復訓練能夠有效恢復和提高肢體運動功能。盡早對患者采取康復訓練能夠在維持患肢關節(jié)活動度、防止關節(jié)攣縮等方面起到作用，明顯提高患者最終運動功能的康復效果[4]。

肌力訓練有等長、等張、被動與等速四種訓練模式。等長訓練是指訓練中肢體固定于一定角度，肌肉收縮時肌纖維長度不變，但肌張力增加，此時并不產(chǎn)生關節(jié)活動；等張訓練是指訓練中阻力恒定，肌肉收縮使肌纖維長度改變，產(chǎn)生明顯的關節(jié)活動；被動訓練是指訓練中關節(jié)運動速度一旦預先設定，肢體的運動始終在某一預定的速度下進行；等速訓練是指訓練中關節(jié)運動速度一旦預先設定，無論訓練者肌肉收縮產(chǎn)生多大的張力，肢體的運動始終在某一預定的速度下進行，肌肉張力大小的變化并不能使肢體產(chǎn)生加速或減速[5]。

目前我國肌力訓練設備都依賴進口，如Cybex、Kin-con、Biodex、IsoMed等，高昂的價格和維護費用使得只有少數(shù)城市的中心醫(yī)院配備，且單次使用成本居高不下。因此，研制開發(fā)成本低、適合家庭應用的多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置不僅具有重要的社會意義，也具有廣泛的市場前景和經(jīng)濟效益[6]。

1 硬件設計

本文設計的多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置基本結構如圖1所示。

圖1 多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置基本結構Fig.1 Basic structure of multi-mode elbow joint muscle strength training device

本裝置組成包括計算機、控制器、電機驅(qū)動器、伺服電機、諧波減速器、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、軸承、承托支架、溫度傳感器、角度傳感器。其中，電機驅(qū)動器、控制器、溫度傳感器安裝在控制柜內(nèi)。扭矩傳感器分為底座和轉(zhuǎn)軸，底座通過諧波減速器與伺服電機連接，承托支架通過聯(lián)軸器和軸承與轉(zhuǎn)軸固定連接，肘關節(jié)通過承托支架帶動轉(zhuǎn)軸運動，扭矩傳感器通過轉(zhuǎn)軸和底座之間產(chǎn)生的相對運動來測量肘關節(jié)力矩。諧波減速器體積小，減速比大，用于放大伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩。溫度傳感器用于檢測控制柜內(nèi)溫度，保護裝置。角度傳感器安裝于扭矩傳感器上方，利用磁性編碼器原理檢測承托支架角度。

系統(tǒng)控制器選用myRIO-1900，該控制器是一種用來設計控制、機器人和機電一體化系統(tǒng)的便攜式可重配置I/O的嵌入式設備，使用LabView編程，能提供數(shù)字、模擬輸入和輸出以及音頻和電源輸出，并且能通過USB連接到主機。

電機驅(qū)動器選用ESCON 50/5，該伺服驅(qū)動器是脈寬調(diào)制控制器。首先通過全橋整流電路進行整流，得到相應的直流電，再經(jīng)過PWM逆變器變頻來驅(qū)動伺服電機。

諧波減速器選用Harmonic，CSF-17-100-2UHLW，該諧波減速器是靠波傳動發(fā)生器裝配上柔性軸承使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運動和動力的齒輪，用于放大伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩[7]。

扭矩傳感器選用TQ-664F1，該扭矩傳感器采用應變片電測技術，在彈性軸上組成應變橋，向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號，將該應變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應變成正比的電壓信號[8]。

溫度傳感器選用LM35D，該溫度傳感器輸出電壓與攝氏溫度成比例，靈敏度10 mV/oC，工作溫度為0～100oC，精度±1oC。

角度傳感器選用AS5048A，該角度傳感器通過磁電阻效應將變化著的磁場信號轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，在外加電勢的作用下，變化的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓的變化，經(jīng)過后續(xù)信號處理電路的處理，模擬的電壓信號轉(zhuǎn)化成計算機可以識別的數(shù)字信號，實現(xiàn)角度測量功能[9]。

多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置信號連接關系，如圖2所示。

圖2 多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置信號連接關系Fig.2 Signal connection of multi-mode elbow joint muscle strength training device

2 程序設計

2.1 命令參數(shù)設計

在設計多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置時，需要設置幫助、啟停參數(shù)、運動模式、電機方向和訓練速度等命令參數(shù)來控制裝置的運行，命令參數(shù)以（幀頭-命令類型-參數(shù)數(shù)值-幀尾）的字符串形式發(fā)送，幀頭和幀尾分別為5aa5和3cc3。還需要對命令的長度和幀頭以及幀尾的完整進行綜合判斷來確定命令的真?zhèn)?，然后將字符串中的命令類型和命令參?shù)分別讀取并存儲。

2.2 上傳參數(shù)設計

在設計信號采集模塊時，扭矩信號和角度信號不可或缺。另外，為了延長硬件使用年限即肌力訓練裝置的使用壽命，對硬件運行時的監(jiān)控溫度也十分注重。因為扭矩、溫度和角度都是從傳感器中獲取并最終上傳，于是將其統(tǒng)稱為上傳參數(shù)，上傳參數(shù)是以（上傳數(shù)據(jù)類型 上傳參數(shù)）的字符串格式發(fā)送。

（1）溫度信號采集模塊

從串口讀取溫度傳感器的輸出電壓信號，由于輸出電壓與攝氏溫度呈線性比例關系，對電壓信號乘以100即可獲得攝氏溫度。

（2）角度信號采集模塊

關閉角速度傳感器的片選信號Csn，由于Csn變低電平信號，SPI被激活，程序讀取角度傳感器輸出信號，并轉(zhuǎn)化為角度值：

角度傳感器測量精度為13位，測量范圍為-180o～180o，XA是角速度傳感器輸出的13位數(shù)字量，A是為了儀器校零而添加的補償常量角，通過多次試驗測試，設置為-174.4o，利用中值濾波器使角度值平穩(wěn)輸出，最后開啟片選信號Csn，由于Csn變高電平，程序停止讀取角度傳感器輸出信號。

（3）扭矩信號采集模塊

從串口讀取扭矩傳感器的輸出電壓信號UT，并對輸出的電壓信號進行濾波，電壓信號通過設計的采樣頻率為100 Hz、低通截止頻率為20 Hz的5階Butterworth濾波器來使扭矩傳感器輸出電壓信號平穩(wěn)，然后通過電壓范圍0～10 V和扭矩測量范圍0～±50 N.m將濾波后的電壓信號轉(zhuǎn)換為扭矩值以及因為扭矩的正負性，將扭矩值減50 N.m來確定扭矩的零點，另外還需要零漂移補償扭矩值B來補償轉(zhuǎn)換后的扭矩值來使得扭矩傳感器的扭矩校準為零（TQ-664F扭矩傳感器的零漂補償扭矩值B為0.5%）。

3 伺服控制系統(tǒng)及控制算法

伺服電機具有位置伺服、速度伺服、轉(zhuǎn)矩伺服三種控制方式，本肌力訓練裝置采用速度伺服控制方式。速度伺服控制系統(tǒng)如圖3所示。通過閉環(huán)控制，保證電機轉(zhuǎn)速不變。負載增大時，電機輸出力矩增大；負載減小時，電機輸出力矩減小[10]。

圖3 速度伺服控制系統(tǒng)Fig.3 Speed servo control system

被動訓練模式下，肌力訓練裝置通過承托支架帶動訓練者肘關節(jié)以恒定速度在指定范圍內(nèi)運動。

等速訓練模式下，肌力訓練裝置提供的阻力矩是一種自適應性力矩，始終與訓練者肌肉收縮產(chǎn)生的肘關節(jié)主動力矩相等，維持訓練速度不變。

等長訓練模式下，肌力訓練裝置使承托支架固定在訓練者指定位置。

等張訓練模式下，訓練者訓練前設置阻力矩大小，開始訓練時，肌力訓練裝置輸出所設置的恒定阻力矩，由訓練者肘關節(jié)帶動承托支架運動。運動過程包括加速運動和減速運動兩個階段：

（1）加速運動：由訓練者主動驅(qū)動肘關節(jié)轉(zhuǎn)動，通過設定阻力級別實現(xiàn)肘關節(jié)帶動伺服電機運動的難度調(diào)整。

（2）減速運動。當肘關節(jié)與裝置交互力突然降低，即人手離開設備時，裝置應穩(wěn)定較快地減速至停止。

4 實驗測試

多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置實物，如圖4所示。

圖4 多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置實物Fig.4 Actual item of multi-mode elbow joint muscle training device

多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置主控界面如圖5所示。

在主控界面上點擊開始按鈕進行康復訓練，點擊停止按鈕結束康復訓練；可以選擇被動、等速、等張、等長等四種康復訓練模式；可以設置承托支架轉(zhuǎn)動角度（-120o～ 120o）、阻力級別、訓練速度；可以顯示實時角度—時間、速度—時間、扭矩—時間曲線和控制柜內(nèi)溫度。

圖5 多模式肘關節(jié)肌力訓練裝置主控界面Fig.5 Control interface of multi-mode elbow joint muscle training device

4.1 被動訓練模式測試

設置承托支架轉(zhuǎn)動角度為-120o～ 120o，分別在設定訓練速度為4o/s、12o/s、20o/s、28o/s的條件下測試，承托支架速度波動率分別為6.7%，4.8%，4.6%和3.8%；在常用設定速度范圍（0～30）o/s內(nèi)，速度波動在7%以內(nèi)，符合被動康復訓練裝置要求。

4.2 等速訓練模式測試

設置承托支架轉(zhuǎn)動角度為-120o～ 120o，分別在設定訓練速度為4o/s、12o/s、20o/s、28o/s的條件下測試，承托支架速度波動率分別為7%，6.3%，5.8%和5%；在常用設定速度范圍（0～30）o/s內(nèi)，速度波動率不超過7%，符合等速康復訓練裝置要求。

4.3 等張訓練模式測試

設置阻力級別為4 N.m、6 N.m、8 N.m、10 N.m的條件下進行測試，當訓練者肘關節(jié)作用力大于設定阻力級別時，訓練者肘關節(jié)帶動承托支架加速運動；當訓練者肘關節(jié)作用力小于設定阻力級別時，訓練者肘關節(jié)帶動承托支架減速運動，符合等張康復訓練裝置要求。

4.4 等長訓練模式測試

設置訓練角度設定值為20o、40o、60o、80o的條件下進行測試，當承托支架到達訓練角度設定值后，保持靜止，可以實時顯示訓練者肘關節(jié)力矩值，符合等長康復訓練裝置要求。

5 結論

通過LabView為上位機界面控制伺服驅(qū)動器、伺服電機，實現(xiàn)具有被動、等速、等長與等張四種訓練模式的康復訓練裝置，主要參數(shù)滿足要求，訓練者體驗良好。下一步主要對裝置啟動摩擦力較大等機械方面的問題進行研究和改善。